Středa 26. února 2020, svátek má Dorota
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Středa 26. února 2020 Dorota

Proč je rychlost světla stále neměnná - relativita snadno a názorně...

4. 01. 2016 9:07:00
..aneb relativita polopatě. Rychlost světla je podivná. Je ve speciální relativitě pořád stejná, i když za světlem letíte šílenou rychlostí nebo mu obrovskou rychlostí letíte vstříc. Tuto podivnost lze ale velice snadno pochopit.

Dnes si vysvětlíme podstatu speciální teorie relativity, stálou rychlost světla, tento její základní axiom. (Upozorňujeme ale, že výklad bude pouze názorně metaforický, ostatně tohle je blog, ne fyzikálně plně korektní.)

Speciální teorie relativity je "zjednodušená" teorie relativity, která platí jen pro systémy, na které nepůsobí žádné zrychlení. Výkladem stálé rychlosti světla je vyloženo vlastně to hlavní ze speciální teorie relativity. Není to ale až tak názorné, protože výklad bude ke konci čtyřrozměrný, ale my žijeme v trojrozměrném prostoru. Proto v příštím blogu vyložíme velmi prostě dilataci (zpomalení) času, což bude názorný výklad toho, jak relativita funguje v našem 3D prostoru. Pak bude všem tato teorie jasná. :-)

Vysvětleme si tedy, jak je to s tou rychlostí světla. Představme si, že jsme ve člunu na klidném jezeře a onen člun je také v klidu. Když hodíme do vody vedle lodi kámen nebo zahýbeme celou lodí, vytvoříme vlny, které se šíří na všechny strany stejnou rychlostí a proto vytvářejí kruhy. Že je loď v klidu, to právě poznáme podle toho, že zůstává stále ve středu těchto soustředných kruhů, které jsme předtím např. lodí vyvolali (viz obrázek 1).

Jakmile se ale potom, co vlny vytvoříme, začneme s lodí pohybovat na nějakou stranu, opustíme tím nutně střed kruhů. Skončíme třeba v červeném bodě vpravo, viz druhý obrázek. Jestliže ale zpozorujeme, že loďka zůstala na konec ve středu kruhů, máme jistotu, že jsme se vůči vodě nehýbali, byli jsme vůči ní stále v klidu. Je to prosté: jestliže jsme zůstali stále ve středu, byli jsme v klidu, jestliže jsme mimo střed, pohybovali jsme se.

Udělejme to tak, že ve chvíli, kdy hodíme například cihlu do vody, a ta vytvoří vlny, budeme mít ve středu loďky dvě (a cihlu hodíme třeba mezi ně). Loďka 1 zůstane v klidu ve středu kruhů. Loďka 2 se v okamžiku dopadu cihly začne pohybovat nějakou stálou rychlostí a skončí za nějakou dobu v červeném bodě, viz obrázek 3.

Pochopitelně je zcela nemyslitelné, aby obě loďky, které se vůči sobě pohybují, zůstaly ve středu těchto kruhů vln. Jenže právě to se naměřilo v případě světelných vln ! Když se zjistilo, že je světlo elektromagnetické vlnění, automaticky se předpokládalo, že se vlní nějaké médium (jako je třeba vzduch nebo voda) a toto médium bylo nazváno éter. A tento hypotetický éter se choval právě takto podivně, že ať se v něm těleso pohybovalo jakoukoliv rychlostí, zůstávalo vždy ve středu vln, které před nějakým časem vyvolalo.

Jestliže ale každé těleso vždy zůstane ve středu kruhových vln (v případě prostoru jsou to vlny kulové), je zcela jasné, že tyto vlny mají vůči každému tělesu na libovolnou stranu stejnou rychlost a to i u dvou těles, která se třeba od sebe vzdalují nebo se k sobě přibližují. Právě proto má světlo neustále stejnou rychlost c (cca 300 000 km/s) vůči každému tělesu, každému pozorovateli, vůči každé "loďce" pohybující se libovolnou rychlostí a vůči každému pozorovateli v této "loďce". Zkusíme-li se vydat za světlem velkou rychlostí, jeho rychlost nezmenšíme, stejně jako ji nezvětšíme tím, že mu poletíme obrovskou rychlostí vstříc.

Ale jak je něco takového možné, když to vlastně možné není???!!!! Řešení je poměrně prosté. Elektromagnetické vlnění je totiž (nejméně) čtyřrozměrné, protože se děje v tzv. 4D časoprostoru. To se zobrazuje dosti těžko, takže pro názornost ubereme jeden rozměr. Místo 4D vlnění budeme popisovat 3D vlnění, tedy jakousi kouli vlnění, kterou vidíme na následujícím obrázku 4.

Dobře si představíme, že 3D vlnění je vlastně soubor takovýchto koulí se stejným středem. A tyto koule se rozpínají, podobně jako se rozbíhají kruhy na vodě. A kde je náš prostor? To je dvojrozměrná rovina, která tyto koule řízne. Ostatně dva taková řezy (i když jen polořezy) na obrázku 4 už jsou. A v každém krásně vidíme stejné kruhy, jako jsme viděli na vodě.

Jenže, je-li náš prostor nějaký takový 2D řez, který ufikne "špičku" té koule (viz obrázek 5), pak dostaneme kruhy stejné jako na vodě. Takový řez vidíme například na obrázku 6. Jenže pak jsme ale ve stejné situaci jako s loďkami na vodě na obrázku 3. Máme jedny kruhy, v jejichž středu může zůstat jen jedna "loďka", zatímco druhá, která se vůči této klidové "loďce" pohybuje, musí střed kruhů opustit, ne?

Jenže to je právě to kouzlo světla šířícího se vesmírem, že ten řez není jediný. Každé těleso si podle své rychlosti v prostoru vytvoří vlastní řez, každé těleso má vlastní prostor. To jen ten šok, který objevila speciální teorie relativity. Každá (stálá) rychlost v prostoru znamená jen různé vyklonění tohoto řezu. Takže vlastně každé těleso, podle své rychlosti, má svůj vlastní, jinak skloněný prostor.

Na posledním obrázku 7 vidíme dva takové vůči sobě skloněné prostory (i když jsme pro jednoduchost ubrali ještě další dimenzi a prostorem je zde přímka, která řeže kruh(y)). Každé těleso má své vlastní vlnové kruhy, v jejichž středu se drží. O míře vyklonění jedněch kruhů vůči druhým, jednoho prostoru vůči druhému, rozhoduje rychlost v mezi tělesy, která je na obrázku znázorněna červeným v. Poloměr kruhu je pak rychlost světla c. Hle, nazřeli jste samotnou podstatu Einsteinovy speciální teorie relativity.

Příště si názorně předvedeme, jak se tento 4D mechanismus projevuje v našem obvyklém trojrozměrném prostoru v podobě dilatace času.

(Poznámka jen pro experty: Vím, že jsem v posledním obrázku pro jednoduchost nakreslil rychlost v opačné orientaci.)

Autor: Jan Fikáček | pondělí 4.1.2016 9:07 | karma článku: 44.59 | přečteno: 11174x

Další články blogera

Jan Fikáček

Je možný warpový pohon ze StarTreku? Je možné překonat rychlost světla?

StarTrek používal termín warpový pohon dávno předtím, než tento pohon jeho autor, Miguel Alcubierre, v roce 1994 vymyslel. Dokonce Miguel použil pro svůj pohon slovo warp proto, aby uctil tento seriál. Ale je warp vůbec možný?

25.2.2020 v 9:07 | Karma článku: 31.54 | Přečteno: 1216 | Diskuse

Jan Fikáček

Co bylo před multivesmírem, před multi-multivesmírem, před multi-multi-multivesmírem......

Řešíme-li otázku, co bylo před velkým třeskem, dojdeme asi k názoru, že to byl bůh nebo multivesmír. Hned se pak ale musíme zeptat, co bylo před nimi! A mohli bychom v řadě "před" asi pokračovat do nekonečna. Opravdu mohli?

18.2.2020 v 9:15 | Karma článku: 35.38 | Přečteno: 1421 | Diskuse

Jan Fikáček

Co bylo před velkým třeskem. Nic?

Bonmot tvrdí, že na všechny složité otázky existuje jednoduchá odpověď... pochopitelně špatná. Jednou z takových je, že žádné předtím u velkého třesku nebylo, neboť nebyl čas. Prostých mylných odpovědí je u této otázky víc.

11.2.2020 v 10:05 | Karma článku: 42.78 | Přečteno: 2982 | Diskuse

Jan Fikáček

Je kvantová psychologie (pa)věda? Je neurčitost při hodu mincí kvantová?

Byl jsem pozván na jednu lékařskou konferenci, abych se pokusil dát argumenty pro či proti kvantové psychologii a kvantové medicíně. Začal jsem proto číst články na toto téma a občas tu budu informovat o svých poznatcích.

2.2.2020 v 18:20 | Karma článku: 44.57 | Přečteno: 2959 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Jan Fikáček

Je možný warpový pohon ze StarTreku? Je možné překonat rychlost světla?

StarTrek používal termín warpový pohon dávno předtím, než tento pohon jeho autor, Miguel Alcubierre, v roce 1994 vymyslel. Dokonce Miguel použil pro svůj pohon slovo warp proto, aby uctil tento seriál. Ale je warp vůbec možný?

25.2.2020 v 9:07 | Karma článku: 31.54 | Přečteno: 1216 | Diskuse

Dana Tenzler

Chemie v kuchyni - jaký olej používat na smažení?

Je lepší řepkový nebo olivový olej? Proč má přepálený olej štiplavý zápach a co má společného se svíčkou? (délka blogu 3 min.)

24.2.2020 v 8:00 | Karma článku: 31.81 | Přečteno: 1422 | Diskuse

Jan Tomášek

Cesty elektrické energie 4

Z poslední transformátorovny či rozvodny elektřiny následuje už jen cesta ke spotřebiteli. Tím například může být například přímo občan - respektive bydliště - občanská vybavenost či služby, nebo výroba.

22.2.2020 v 16:37 | Karma článku: 13.01 | Přečteno: 405 | Diskuse

Lubomír Stejskal

Objev, který stojí za pozornost

Archeologickým hitem těchto dnů je informace o nalezení starověkého kananejského chrámu v lokalitě Lakíš (též Lachiš, v kralické Bibli Lachis). Jak právě naznačeno, zmíněno je toto město v Bibli. Ale nejen tam.

20.2.2020 v 8:00 | Karma článku: 18.98 | Přečteno: 513 | Diskuse

Dana Tenzler

Falkirk Wheel - Archimedův zákon v prax

Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno vztlakovou silou rovnající se tíze kapaliny tělesem vytlačené. Nudné? Ve skotském městě Falkirk ani náhodou. (délka blogu 5 min.)

20.2.2020 v 8:00 | Karma článku: 31.26 | Přečteno: 1018 | Diskuse
Počet článků 175 Celková karma 41.77 Průměrná čtenost 2827

Vystudoval chemii, kybernetiku a teorii systémů (interdisciplinární studia) a považuje se za obecně uvažujícího člověka někde na pomezí mezi přírodními vědami a filosofií. Roky vyučoval filosofii fyziky a virtuální reality na PřF a MFF UK v Praze (a v té době odmítal tituly jako Doc. nebo CSc.). Nyní PhD student filosofie teoretické fyziky. Pracoval jako evropský expert pro "Future and Emerging Technologies". V letech 1991-7 byl předsedou společnosti Mensa ČRVíce informací zde.

Chcete-li sledovat diskuse v jeho skupině, připojte se do Vědecké filosofie & Fyziky (nejen). jan@fikacek.cz
 
Upozornění: Toto je popularizační blog pro veřejnost, neberte ho tedy jako vědeckou dizertační práci. :-) Autor má zde uváděné základní myšlenky většinou propracované do hloubky, do blogu pro veřejnost však není vhodné uvádět příliš složité formulace. Autora ale baví komunikovat s veřejností, proto tato forma s někdy expresivním vyjadřováním, přehnané nadpisy, které k popularizaci asi patří. Některé blogy jsou však čistá věda, ba dokonce mainstream, některé (asi většina) jsou kritické úvahy snažící se formulovat nové nápady, některé jsou opravdu jen sci-fi nebo spíše sci-sci-fi.

P.S.: Komentáře, které budou řešit autora, ne (jen) obsah blogu, budou bez varování smazány. :-) 

Vždycky jsem byla obdařenější prsatice, směje se Lucie Benešová

Chtěla domek na Sicílii, ale nakonec si pořídila hezké místo pro stavbu v Jizerských horách. „Mám plno plánů, pořád...

Prodáváte rasistické zákusky, tvrdí zákazníci. Tradiční, brání se výrobce

Čokoládová pusinka, zákusek populární hlavně během německých únorových karnevalů, narazila na odpor kvůli svému...

Hospody, kolo a památky. Orlando Bloom si v Česku užívá se psem i snoubenkou

Orlando Bloom (43) natáčí v české metropoli seriál Carnival Row. Kromě herectví se tu nejčastěji věnuje svému psovi,...

Všichni jste krásní, říká modelka. Předávání cen moderovala zcela nahá

Modelka Ibi Støvingová (45), která moderuje dánskou verzi americké show Naked Attraction, vyvolala pozdvižení...

I po více než osmi letech od vydání je Skyrim králem erotických modifikací

Díky podpoře uživatelských modifikací se kolem Skyrimu vytvořila silná komunita, která svoji modlu neustále vylepšuje....